為了解中國(guó)燃?xì)怆姀S污染物排放現(xiàn)狀及環(huán)保設(shè)施運(yùn)行現(xiàn)狀并掌握未來燃?xì)獍l(fā)電的環(huán)保政策走向，通過調(diào)研國(guó)內(nèi)典型地區(qū)的多家燃?xì)怆姀S，從燃機(jī)本體控制、余熱鍋爐SCR控制以及外部因素控制等3個(gè)方面對(duì)比分析了燃?xì)怆姀S的主要污染物—NOx的減排技術(shù)現(xiàn)狀和存在的問題，認(rèn)為余熱鍋爐SCR控制技術(shù)的優(yōu)化空間大、國(guó)內(nèi)應(yīng)用案例多，是燃?xì)怆姀S未來降低NOx的有效手段;基于國(guó)內(nèi)外排放水平和技術(shù)現(xiàn)狀，分析得出國(guó)內(nèi)燃?xì)獍l(fā)電的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)具有進(jìn)一步加嚴(yán)的趨勢(shì);從電廠運(yùn)行、科學(xué)研究和政策制定等多個(gè)方面提出了降低NOx排放的意見和建議。  

    引言  

    近年來，隨著中國(guó)霧霾頻發(fā)，火力發(fā)電等重點(diǎn)行業(yè)的污染物排放狀況受到了更多關(guān)注。自2015年以來，中國(guó)燃煤電廠逐步開始實(shí)施超低排放改造，改造后其主要污染物(煙塵、SO2和NOx)可達(dá)到國(guó)家對(duì)燃?xì)鈾C(jī)組的排放限值要求，部分電廠NOx排放濃度已達(dá)到25mg/m3水平[1-3]。*，由于燃料特性的不同，燃?xì)獍l(fā)電相比燃煤發(fā)電更為清潔[4]，但隨著燃煤電廠實(shí)施超低排放改造，燃?xì)怆姀S的環(huán)保優(yōu)勢(shì)受到挑戰(zhàn)。特別是近年來氣電裝機(jī)容量的迅速擴(kuò)充，加之燃?xì)怆姀S主要位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、環(huán)境敏感區(qū)域，所以其環(huán)保問題已日益凸顯。目前，中國(guó)燃?xì)怆姀S污染物真實(shí)的排放水平如何?燃?xì)怆姀S將如何應(yīng)對(duì)新的政策變化、如何選擇合理應(yīng)對(duì)措施?本文對(duì)以上問題進(jìn)行深入研究和探討。  

    1燃?xì)怆姀S的煙氣排放現(xiàn)狀  

    1.1燃?xì)鈾C(jī)組分布特點(diǎn)  

    截至2016年年底，中國(guó)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量已達(dá)7860萬kW。從區(qū)域分布來看，全國(guó)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組主要分布于長(zhǎng)三角、珠三角和京津冀等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，以上3個(gè)地區(qū)分別占全國(guó)裝機(jī)容量的35%、25%和15%，具體情況如圖1所示。  

    目前，中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)環(huán)境更為敏感，部分地區(qū)已經(jīng)或正計(jì)劃制定更為嚴(yán)格的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。  

    1.2燃?xì)怆姀S排放標(biāo)準(zhǔn)  

    為規(guī)范燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組污染物排放水平，2011年中國(guó)發(fā)布了《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB13223—2011》(以下簡(jiǎn)稱為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))，隨后部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)也相繼發(fā)布地方標(biāo)準(zhǔn)或出臺(tái)政策。2011年年底北京發(fā)布《固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)DB11847—2011》;2017年深圳市人民政府發(fā)布1號(hào)文《深圳市大氣環(huán)境質(zhì)量提升計(jì)劃(2017—2020年)》，進(jìn)一步降低燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組NOx排放限值，具體情況如表1所示。  

    在國(guó)外，美國(guó)對(duì)現(xiàn)有燃?xì)怆姀S的排放標(biāo)準(zhǔn)要求zui高。其燃?xì)怆姀S污染物排放首先需滿足新能源性能標(biāo)準(zhǔn)(NewSourcePerformanceStandard)，標(biāo)準(zhǔn)要求：大于250MW的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組NOx排放濃度應(yīng)低于30mg/m3。在此基礎(chǔ)上，為獲得相關(guān)運(yùn)營(yíng)執(zhí)照[5]，美國(guó)燃?xì)怆姀S還需采用BACT*實(shí)用技術(shù)或LAERzui低可得排放速率技術(shù)。zui終，美國(guó)燃?xì)怆姀S采用燃?xì)廨啓C(jī)低氮燃燒+SCR脫硝的技術(shù)路線后，NOx排放可達(dá)6~10mg/m3水平。目前中國(guó)小部分燃?xì)怆姀S應(yīng)用了相關(guān)技術(shù)，但較難達(dá)到10mg/m3以下排放水平，因此國(guó)內(nèi)電廠有必要對(duì)國(guó)外排放標(biāo)準(zhǔn)及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行研究。  

    1.3燃?xì)怆姀S煙氣污染物排放狀況  

    由于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的SO2和煙塵的排放限值遠(yuǎn)高于實(shí)際排放水平，所以為了解相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后的實(shí)際排放水平，本文采用實(shí)地交流和發(fā)放問卷方式對(duì)中國(guó)典型地區(qū)的燃?xì)怆姀S進(jìn)行了環(huán)?，F(xiàn)狀調(diào)研，主要污染物排放水平匯總?cè)绫?所示。  

    調(diào)研結(jié)果顯示，上述燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組在未安裝任何脫硫除塵環(huán)保設(shè)施的情況下，其SO2和煙塵實(shí)際排放水平均遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放限值，也遠(yuǎn)優(yōu)于實(shí)施超低排放燃煤機(jī)組的污染物排放水平。因此，現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)難以科學(xué)客觀地反映當(dāng)前燃?xì)鈾C(jī)組真實(shí)的排放水平，還有進(jìn)一步下調(diào)的空間。  

    目前，燃?xì)廨啓C(jī)排放的主要污染物為NOx，因此環(huán)保治理的主要對(duì)象是NOx。上述電廠正常工況運(yùn)行時(shí)均能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的排放要求。其中，北京地區(qū)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組采取了SCR脫硝技術(shù)，電廠NOx排放均控制在25mg/m3以下，大部分電廠為獲得濃度減半后的排放優(yōu)惠，可實(shí)現(xiàn)15mg/m3排放水平;長(zhǎng)三角地區(qū)電廠正常工況下NOx排放量控制在50mg/m3以下，大部分機(jī)組未加裝SCR脫硝系統(tǒng)，以江蘇省為例：僅有2座電廠加裝了SCR脫硝系統(tǒng);珠三角地區(qū)燃?xì)怆姀S在75%負(fù)荷以上運(yùn)行時(shí)污染物排放數(shù)值均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)該地區(qū)所調(diào)研的燃?xì)怆姀S均未裝設(shè)SCR脫硝系統(tǒng);川渝地區(qū)燃?xì)怆姀S采用脫硫川氣后，SO2排放濃度未見升高，而由于燃料熱值偏低，燃?xì)廨啓C(jī)的NOx排放量有所降低。  

    機(jī)組的排放水平除與是否加裝SCR脫硝系統(tǒng)密切相關(guān)以外，還與機(jī)組容量等級(jí)有關(guān)，如表3所示。以江蘇省為例，在50~>40檔和40~>30檔的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組中，F(xiàn)級(jí)機(jī)組數(shù)量占比更大;在30~20檔的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組中，E級(jí)機(jī)組數(shù)量占比更大，F(xiàn)級(jí)機(jī)組數(shù)量?jī)H占17%(這類機(jī)組已加裝SCR脫硝系統(tǒng))。  

    調(diào)研的機(jī)組在環(huán)保設(shè)施的前期設(shè)計(jì)、設(shè)備配置、日常運(yùn)維中還存在諸多問題，例如：大部分CEMS儀器檢測(cè)原理為紅外法，檢測(cè)精度不夠,同時(shí)不具備NO2檢測(cè)功能等;已加裝SCR脫硝系統(tǒng)的電廠脫硝效率偏低，一般在50%左右，還存在較大優(yōu)化空間等。此外在2010年前投產(chǎn)的大部分電廠余熱鍋爐中未預(yù)留加裝SCR脫硝系統(tǒng)的空間。  

    2燃?xì)怆姀SNOx減排技術(shù)現(xiàn)狀  

    燃?xì)怆姀S采用天然氣為燃料，NOx是主要污染物。按照控制位置不同，可將排放控制技術(shù)分為以下3類：燃?xì)廨啓C(jī)本體控制技術(shù)、余熱鍋爐SCR控制技術(shù)[6]和外部因素控制技術(shù)。燃?xì)鈾C(jī)組排放控制技術(shù)路線如圖2所示。  

    2.1燃?xì)廨啓C(jī)本體控制技術(shù)  

    目前，國(guó)內(nèi)外燃?xì)廨啓C(jī)NOx減排技術(shù)多樣，有燃燒室注水/注蒸汽技術(shù)、干式低氮燃燒技術(shù)、催化燃燒技術(shù)等[7]，目前主流技術(shù)為干式低氮燃燒技術(shù)。針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)干式低氮燃燒的降氮技術(shù)路線主要有3種：機(jī)組燃燒調(diào)整、燃燒器部分功能優(yōu)化以及對(duì)現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器升級(jí)改造。目前以上技術(shù)主要由主機(jī)廠家掌握，下面以某主機(jī)廠家9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的NOx減排技術(shù)路線為例進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。  

    綜上所述，主機(jī)廠商通過以上3種技術(shù)路線可以不同程度地降低燃?xì)廨啓C(jī)出口NOx排放濃度，但進(jìn)一步降低的潛力有限，會(huì)影響機(jī)組效率和燃燒穩(wěn)定性，且改造難度大、成本高(單臺(tái)改造成本zui大將接近億元)。  

    2.2余熱鍋爐SCR控制技術(shù)及存在問題  

    SCR脫硝技術(shù)的原理是通過向余熱鍋爐煙道中噴入還原劑，將煙氣中的NOx轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退３Ｒ?guī)設(shè)計(jì)中，還原劑常采用液態(tài)無水氨、氨水或尿素。  

    SCR脫硝技術(shù)已成熟應(yīng)用于燃煤機(jī)組，燃?xì)怆姀S應(yīng)用較少，北京地區(qū)燃?xì)鈾C(jī)組為達(dá)到更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，均加裝了SCR脫硝系統(tǒng)，其他地區(qū)個(gè)別機(jī)組也加裝了SCR脫硝系統(tǒng)。相比燃煤機(jī)組，燃?xì)鈾C(jī)組加裝SCR脫硝系統(tǒng)初投資較低，一般為1500~2000萬元/臺(tái)。目前，已投運(yùn)的燃?xì)鈾C(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)可以在全負(fù)荷工況實(shí)現(xiàn)更低的NOx排放，但由于缺少相關(guān)技術(shù)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)積累，在設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)中還存在以下問題。  

    2.2.1設(shè)計(jì)問題  

    同燃煤機(jī)組相比，燃?xì)鈾C(jī)組的流場(chǎng)不均勻性顯著，如立式余熱鍋爐過渡段轉(zhuǎn)彎處和催化劑層入口處容易出現(xiàn)流場(chǎng)不均;臥式余熱鍋爐容易出現(xiàn)催化劑層上部流速低、下部流速高等問題。已投產(chǎn)SCR脫硝系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮這一特性，或未針對(duì)這一情況采取優(yōu)化措施，導(dǎo)致投產(chǎn)后影響脫硝效果，達(dá)不到設(shè)計(jì)效率。  

近幾年投產(chǎn)的大部分燃?xì)鈾C(jī)組雖然在設(shè)計(jì)階段考慮了預(yù)留脫硝系統(tǒng)位置，但預(yù)留空間普遍偏小，預(yù)留空間在3~5m，一方面將給后期加裝SCR脫硝系統(tǒng)工程帶來極大不便，另一方面將會(huì)影響SCR脫硝系統(tǒng)噴氨均勻性。根據(jù)ANSYS流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，預(yù)留空間越大，SCR脫硝系統(tǒng)入口前的噴氨混合越均勻，如圖3所示。  

圖3脫硝模型與噴氨格柵后不同截面氨濃度對(duì)比 

    2.2.2設(shè)備問題  

    2.2.2.1催化劑問題  

    目前，燃?xì)怆姀S使用的脫硝催化劑以進(jìn)口為主，價(jià)格高，單價(jià)為1.0~1.2萬美元/m3，約為國(guó)產(chǎn)燃煤脫硝催化劑的5~8倍，且存在供貨周期長(zhǎng)、維護(hù)不便等弊端[9]。  

    國(guó)產(chǎn)燃?xì)怆姀S用SCR催化劑已取得一定進(jìn)展，但在制造設(shè)備、工藝、成品率控制等方面與國(guó)外廠家仍有一定距離。以蜂窩式催化劑為例，相比某國(guó)外催化劑，某國(guó)產(chǎn)催化劑的化學(xué)組分差異不大，但受限于制造工藝，比表面積偏小、脫硝效率偏低，詳見表5。同時(shí)國(guó)產(chǎn)波紋板式催化劑也存在類似問題。  

    2.2.2.2CEMS系統(tǒng)問題  

    燃?xì)怆姀S在線污染物監(jiān)測(cè)設(shè)備(CEMS)也存在量程選擇不當(dāng)、精度不夠、未設(shè)置NO2檢測(cè)功能[10-11]等問題。由于脫硝系統(tǒng)的噴氨量與CEMS測(cè)量結(jié)果在控制系統(tǒng)中相關(guān)聯(lián)，實(shí)際測(cè)量過程中，NOx濃度應(yīng)該包含NO和NO2。但現(xiàn)有NOx的檢測(cè)和計(jì)算方法與實(shí)際情況差異明顯，未能真實(shí)地反映NOx濃度。如表6所示，機(jī)組在正常負(fù)荷下，實(shí)際檢出的NO2體積分?jǐn)?shù)可占NOx體積分?jǐn)?shù)的20%左右。目前，大部分燃?xì)怆姀SNOx檢測(cè)只考慮了NO，即使小部分電廠考慮了NO2，但只參考燃煤機(jī)組的體積占比(通常按5%)[12]。因此，燃?xì)怆姀S配置功能全面和精度更高的CEMS檢測(cè)系統(tǒng)，將準(zhǔn)確地獲得現(xiàn)有燃?xì)怆姀S的真實(shí)污染物排放水平，并為后續(xù)制定科學(xué)的減排措施提供數(shù)據(jù)支撐。  

    2.2.3運(yùn)行維護(hù)問題  

    部分燃?xì)怆姀S脫硝系統(tǒng)受制于安裝空間有限、噴氨控制策略考慮不周，加之運(yùn)行時(shí)間短、經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)燃?xì)鈾C(jī)組與燃煤機(jī)組脫硝系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律差異認(rèn)識(shí)不夠，造成SCR脫硝效率偏低。如圖4所示，某燃?xì)怆姀S脫硝系統(tǒng)運(yùn)行效率很多時(shí)段低于50%。  

    此外，還缺乏對(duì)脫硝系統(tǒng)的精細(xì)化運(yùn)行管理，例如：自動(dòng)噴氨邏輯控制嚴(yán)重滯后的情況下，存在過噴情況，導(dǎo)致氨逃逸率偏高。  

    2.3外部因素控制技術(shù)  

    除與燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)和余熱鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)有關(guān)外，燃?xì)鈾C(jī)組排放狀況還受外部因素的影響。目前可控的外部因素主要有：天然氣成分、進(jìn)氣溫濕度、天然氣溫度等[13]。但目前該領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)還不夠成熟，應(yīng)用案例不多。  

    國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院曾聯(lián)合中科院工程熱物理所開展低熱值燃料摻燒來降低NOx排放的相關(guān)研究[14],通過在天然氣中摻入不同比例的低熱值醇基燃料，可在一定程度上降低NOx排放質(zhì)量濃度，如表7所示。該研究成果還未在全壓全溫全尺寸燃燒室上驗(yàn)證，距產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚有一定距離。  

    通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣溫濕度也能在一定程度上降低NOx排放。表8為某電廠機(jī)組環(huán)境溫濕度波動(dòng)對(duì)NOx排放質(zhì)量濃度的影響情況[15]。目前國(guó)外有使用噴霧冷卻來降低NOx排放的案例，但國(guó)內(nèi)未見類似應(yīng)用。  

    綜上所述，上述3種技術(shù)方案均對(duì)降低NOx排放具有積極作用，但相對(duì)而言，余熱鍋爐SCR控制技術(shù)優(yōu)化空間大，國(guó)內(nèi)應(yīng)用案例多，未來將是燃?xì)怆姀S進(jìn)一步降低NOx的有效手段。  

    3燃?xì)怆姀S環(huán)保趨勢(shì)分析  

    根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，燃?xì)怆姀S與超低排放后的燃煤電廠具有同樣的排放濃度限值。實(shí)際上，因?yàn)槿細(xì)怆姀S與燃煤電廠基本含氧量不同，若按電能排放績(jī)效值進(jìn)行測(cè)算[16-17]，燃?xì)怆姀SNOx排放績(jī)效是超低排放改造后的燃煤電廠的1.45倍左右。因此，燃?xì)怆姀S的排放標(biāo)準(zhǔn)亟待提高。  

    目前，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家早已對(duì)燃?xì)獍l(fā)電的污染物排放水平實(shí)施嚴(yán)格控制，以美國(guó)加州為例，通過低氮燃燒+SCR脫硝技術(shù)(與國(guó)內(nèi)主流技術(shù)相同)，燃?xì)廨啓C(jī)出口可達(dá)到30mg/m3的排放水平，脫硝效率高至80%，zui終實(shí)現(xiàn)煙囪出口NOx(2~5)×10-6的排放水平，這說明燃?xì)怆姀S進(jìn)一步降低NOx在技術(shù)上可行。  

    近幾年，北京和深圳相繼出臺(tái)了比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)或地方政策，江蘇省也在積極開展相關(guān)研究。  

    基于上述情況，預(yù)計(jì)國(guó)家相關(guān)部門在對(duì)火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)將進(jìn)一步降低燃?xì)怆姀SNOx和SO2的濃度排放限值;物價(jià)部門也將逐步提高污染物收費(fèi)水平;此外各級(jí)環(huán)保部門將對(duì)燃?xì)怆姀S的NOx排放現(xiàn)狀更為關(guān)注，檢測(cè)內(nèi)容將更加細(xì)致和全面(例如增加NO2檢測(cè))。因此，在這種背景下，燃?xì)怆姀S加裝SCR系統(tǒng)將是大勢(shì)所趨。  

    4結(jié)論與建議  

    4.1結(jié)論  

   (1)與已實(shí)現(xiàn)“超低排放”的燃煤電廠相比，燃?xì)怆姀S在SO2和粉塵排放方面仍具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，但NOx排放優(yōu)勢(shì)已受到挑戰(zhàn)。  

   (2)燃?xì)廨啓C(jī)低氮改造需平衡效率、安全、排放等多方面因素，在現(xiàn)有排放基礎(chǔ)上，通過燃?xì)廨啓C(jī)本體改造降低NOx排放潛力有限，較難實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷脫硝，性價(jià)比沒有優(yōu)勢(shì)。  

   (3)燃?xì)怆姀S加裝SCR脫硝系統(tǒng)，將成為進(jìn)一步降低NOx的有效措施。但在設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中，應(yīng)充分考慮燃?xì)鈾C(jī)組煙氣特性，不能簡(jiǎn)單照搬照抄燃煤機(jī)組設(shè)計(jì)思路和方案。  

   (4)用于燃?xì)怆姀S降低NOx排放的外部因素控制方法技術(shù)不夠成熟，降低幅度有限，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用案例不多。  

   (5)國(guó)內(nèi)燃?xì)怆姀SNOx排放標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)是大勢(shì)所趨，同時(shí)，燃?xì)怆姀S還應(yīng)該關(guān)注機(jī)組啟停階段的黃煙及全負(fù)荷NOx減排問題，做好降低氮氧化物技術(shù)儲(chǔ)備。  

   4.2建議  

   在燃?xì)鈾C(jī)組進(jìn)一步降低NOx排放的大趨勢(shì)下，為了更好地開展燃?xì)怆姀S超低排放改造，提出以下建議：  

   (1)燃?xì)怆姀S應(yīng)密切跟蹤國(guó)家及地方環(huán)保政策的變化趨勢(shì)，新建電站應(yīng)提前預(yù)留SCR脫硝系統(tǒng)的合理安裝位置。  

   (2)燃機(jī)行業(yè)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)、主機(jī)廠商等單位應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研力度，進(jìn)一步優(yōu)化SCR脫硝技術(shù)，降低初投資成本，特別是加快國(guó)產(chǎn)催化劑研發(fā)進(jìn)度，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。  

   (3)各級(jí)環(huán)保部門應(yīng)合理借鑒國(guó)外燃?xì)怆姀SNOx排放標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)管理經(jīng)驗(yàn)，充分調(diào)研國(guó)內(nèi)燃?xì)怆姀S環(huán)?，F(xiàn)狀，合理調(diào)整新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。  

   (4)國(guó)家或地方應(yīng)對(duì)排放水平優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的燃?xì)怆姀S給予一定的電價(jià)補(bǔ)貼或利用小時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)，以調(diào)動(dòng)燃?xì)怆姀S減排積極性。

   《中國(guó)電力》